当前课程知识点:微积分——极限理论与一元函数 > 第七章 定积分 > 第五节 定积分的几何应用 > 曲线的弧长
好我们来看定积分的第二个内容
就是可以算曲线的弧长
假如有这么一条曲线
在直角坐标系下
平面曲线y=f(x)
x是属于[a,b]
当然我们对于函数有要求
yf是一个C类函数
那么我们来看看
在直角坐标系下
这么构成的这么一个曲线它的弧长
这点对应x=a
这一点对应x=b
这条线就叫y=f(x)
我们还是做分割
对x做分割
一段若干段每一小段往上去
我们用这个它的弦来代替弧
我们给它放大一下
就相当于这是一条弧
我们拿这个弦长来代替弧长
也就是说我们拿了一些的折线来代替我们原来的弧线
那么这就是我们所谓近似代替
假如说我们看这一段叫做Δx的话
这段叫做Δx
这段叫做Δx的话
那这段就是应该很小的弧段Δy
Δy等于什么
等于我们根据中值定理
f的导数x乘上Δx
所以根据勾股定理
我们这一小段的弧
很小的一小段的弧长
Δl近似的就等于弦长
就等于Δx的括弧的平方
加上f导数x乘上Δx的括号的平方
也就等于
根号1加上f导数x的平方乘上绝对值Δx
因为我们这个Δx是平方开根号出来的
所以说要加一个绝对值
如果说我们这个分割
从左边往右边做分割
那么这个时候Δx大于0的
那么在从左边往右边做分割的情况下
它就等于
根号1加上f导数x的括弧的平方乘上Δx
这是一个小弧段的弧长的近似值
整体的值
l近似的就可以等于西格玛一共是i从1到n
根号1加上f导数x的平方Δxi
那可以想象一下
我们如果说
对分割让它越来越密
越来越密
那么极限情况
正好是这么我们讲的黎曼和的求极限
那么在f是一个C1类的函数的情况下
在直角坐标系弧长就是从a到b
根号1加上f导数x这个函数的平方dx
还是要注意一下
在直角坐标系下
在我们这个公式里面
a是那个小的
b是那个大的x
只是说对于x来讲
a是小的b是大的
好我们给个例子
有条曲线很简单的
y等于x的平方
x是在0到1/2这一段
好我们要求这条抛物线在x取值范围从0到1/2
这一段的弧段的它的弧长
那我们知道
根据公式
弧长l就等于从0到1/2
根号1加上x导数
是等于2倍的x平方导数等于2倍x
4倍的x平方dx
所以剩下的事情
我们就要解
求这个一个定积分的问题
那么这个定积分问题我们原来是讲过的
做变量代换
令x就等于二分之一的tant
x等于二分之一的tant
那么我来看看下限
x取0的时候
实际上意味着t是取0
x取1/2的时候
实际上意味着t是取π/4
所以这是积分下限和上限所对应的t的值
所以我们这个弧长
根据这是从t从0到π/4
那么我们把这个代进去
x等于1/4所以
代进去之后等于sec
本来说sec平方开根号
正好sect
dx就等于1/2的sec平方t的dt
或者说就等于1/2的0到π/4dt
cos的三次方的t
那么这当然就是一个三角有理函数了
我们可以把原函数求出来
把不定积分算出来
然后牛顿莱布尼兹公式算出来就行了
因为我们刚开始算积分
所以我们再把这个积分稍微再多算一点点
我们来看看dtcos三次方t
可以写成上面乘以costdt
底下是cos四次方t
也就等于dsint
除以cos四次方
cos平方的平方
是等用1减去sin平方t括弧的平方
就等于不定积分
du1减u平方括弧的平方
做变量代换
u就等于sint
u等于sint
所以我们原来那个l这么一个定积分
就可以写成是
等于u等于sint
1/2写到那
t取0的时候
usint也取0
t取π/4的时候
u等于sint
正好是二分之一根号二
du除以1减u括弧的平方
乘上1加u括弧的平方
我们把原来这个三角有理函数的积分
经过这么一个u等于sint的变量代换
要注意我们没有用万能公式
因为万能公式不是唯一的
能够把三角有理函数变成分式有理函数的变换
在某些特殊的情况下
比如说我们这种情况下
用u等于sint实际上比用万能公式
应该是更简单一点
这是一个分式有理函数
我们再回顾一下分式有理函数的计算
我们知道
1减u平方
乘上1加u的括弧平方
可以写成A1减u
加上B1减u的平方
加上C1加u
加上D1加u的括弧平方
也就是说
我们知道了分母的因式分解之后
我们可以发现
把一个稍微复杂一点的分式有理函数
可以写成A
1234这四个模块的和
那么通一下分之后我们可以知道
1就等于A乘上1减u乘上1加u的括弧的平方
加上B乘上1加u的括弧的平方
加上C乘上1加u乘上1减u的平方
加上D乘上1减u括弧的平方
我们通过比较这两个多项式的系数
我们可以把A,B,C,D通通算出来
有一点点简单的地方
我们来看看
投机取巧或者偷懒的地方
或者说有一些技巧放在那里
我们在这个式子里面
令u等于1
令u等于1的话
左边那个当然是等于1
右边这是等于0
这是等于u等于1
所以这是等于四倍的B
0加四倍的B再加0再加0
所以我们实际上可以得到
B就等于1/4
同样我们令u等于-1
我们还可以算出
u等于-1左边是1
等于000
D可以推出
D也等于1/4
一共有ABCD四个常数
两个已经定了之后
我们后面两个相对来说好定一点
那么实际上来讲
最后的结论
A等于B等于C等于D都等于1/4
那既然这样的话
那么原来我们在弧长
就可以写成
1/4拿出来之后
八分之一
从0到二分之根号二
哪几个函数
1除以1减u
加上1除以1减u的平方
再加上1除以1加u
加上1除以1加u的括弧的平方变成du
变成这么一个定积分的计算
那后面我就不算了
因为实际上来讲
你口算也可以算出来了
这个原函数
负的ln(1-u)
这个是1减u分之一
那么这个是ln(1-u)
这个是负的1加u分之一
我们把所有原函数都求出来
牛顿莱布尼兹公式
上限下限往里面一代
可以得到
我们想要的结论
我这就不再去重复写了
好我们再来看看
参数方程形式下曲线的弧长的计算
有一条曲线L的参数方程是
x等于acos三次方t
y就等于asin三次方t
t是属于0到2π之间的
那我们已经讲过
我们把这条曲线叫做星形线
如果我们画一下简图的话
实际就这么一个曲线
那么我们要求我们知道
1234四段肯定都是相等的弧长
所以我们只求一小段就够了
那么在参数方程的形式下
我们仍然做这么一件事情
第一件事情做分割
这时候我们对t做分割
那么我们可以发现
某一小段
比如说这一小段
我们对t做分割之后
那么x的变化范围
应该是x导数t乘上Δt
y的分割范围应该是y的导数t乘上Δt
所以这个时候
我们做近似的时候取点
第三近似
我们做近似的时候是
Δl这个小弧段的弧长
就近似的等于根号x的Δx的平方
加上Δy的平方
所以x导数t的括弧的平方
加上y导数t的括弧的平方
乘上Δt的平方开根号
实际上绝对值Δt
但是如果我们给假定
如果说t的分割
是从t小到大的一种分割
那么这时候Δt是大于0的
所以在这种情况下
我们可以得到
弧长L可以等于
从小的那个t是α
大的那个t是β
根号x导数t的平方
加上y导数t的括弧的平方dt
好那么我们把上面的一大堆东西
都代到我们现在的定积分的公式
那么对星形线来讲
这个弧长L就等于4倍的1234上下左右
t是从小的到大的
小的t等于0
大的t正好是等于π/2
然后根号x导数t
x导数是t负的3倍的acos的平方t
sint的平方加上3倍的asint
sin平方tcost的括弧的平方的dt
好我们稍微化简一下的话
等于4倍的从0到π/2
3/2asin2tdt
最后的结论是就等于
最后是等于6倍的a
好这是在参数方程形式下
这么一个星形线的弧长
这弧长
这是弧长的公式
那么用一下弧长公式
我们可以把星形线的弧长算出来
如果说我们再来看一下
假如说是在极坐标形式下的
比如说我们给一个极坐标形式
r等于a括弧1加上cosθ
θ是属于0到2π
那极坐标形式
我们可以把它转化成为参数方程形式
我们知道x是等于r(θ)cosθ
y等于r(θ)sinθ
其中这个θ就是参数
那么我们可以知道弧长
θ从如果从α到β
根号x(θ)的导数的平方
加上y(θ)的导数的平方dθ
我们给它x等于r(θ)cosθ
y等于r(θ)sinθ
我们把x和y通通代进去
经过化简之后是这样子
就是从α到β的积分
根号r的平方θ
再加上r的导数平方的θ的dθ
那么这就是在极坐标形式下
给出曲线的弧长的定积分的表达式
好如果说恰好是这条曲线
这条曲线我们已经讲过
这条曲线就是所谓的一条心形线
那么这条心形线的弧长
L就等于
从小的0是小的
到大的2π
根号r的平方是等于
a平方1加上cosθ括弧的平方
加上r的导数的平方
就等于a的平方sin平方θdθ
我们把a平方拿出来之后
就等于a从0到2π里面是根号
1加上两倍的cosθ加上cos平方θ
cos平方加sin平方等于1
2加上2倍的cosθdθ
那么我们可以知道
用一下三角公式
我们就可以知道
它就等于2倍的a从0到2π
根号cos平方二分之θ的dθ
或者说2倍的a从0到2π
绝对值cos二分之θ的dθ
最后的结论就等于8倍的a
这就是在极坐标形式下
给出了这个方程的它的弧长的计算公式
我们这一套公式算弧长的
我们现在给的几个例题
都是在算平面曲线的弧长
那实际上我们也可以用于算那些空间曲线的弧长
比如说在三维空间中
我们给了一条曲线L
x等于acost
y等于asint
z等于c乘上t
t是属于0到2π
这是一条什么曲线
我们来看x平方加y平方等于a
所以这条曲线就在以半径为a
平行于z轴的这么一个圆柱面上
我画一下
xyz给一个圆柱面
这是曲线所在的这个面上
那么θ取0的时候x取a
那么这个是这条曲线
就是这么一条曲线
走到后面看不见了
用虚线表示
就是这么一条螺旋上升的这么一条曲线
那么在我们原来讲的那些公式
在三维空间中依然是正确的
这条曲线的弧长
从小的到大的0到2π
根号x导数t的平方
加上y导数t的括弧的平方
加上z导数t的括弧的平方dt
我们把x导数平方加
y导数平方加起来等于a平方
z导数正好是等于c
所以就等于从0到2π
根号a平方加上c平方的dt
或者说就等于2π乘上根号a平方加上c平方
这就是空间一条曲线
在参数方程形式下的
它曲线的弧长
-序言
--序言
-第一节 实数集的界与确界
--实数集的界
--实数集的确界
-第一节思考与练习
--思考题
--练习题
-第二节 函数的概念
--分段函数与隐函数
-第二节思考与练习
--思考题
--练习题
-第三节 函数的运算
--函数的反函数
-第三节思考与练习
--思考题
--练习题
-第四节 函数的初等性质
--函数的凸性
-第四节思考与练习
--思考题
--练习题
-第五节 初等函数
--初等函数
-第五节思考与练习
--思考题
--练习题
-第六节 极坐标方程与参数方程表示的几种曲线
-第一节 数列极限的概念与性质
--无穷大量
-第一节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第一节思考与练习
-第二节 数列极限存在的充分条件
--单调有界收敛定理
-第二节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第二节思考与练习
-第三节 Bolzano定理与Cauchy收敛准则
-第三节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第三节思考与练习
-第四节 函数极限的概念与性质
--函数极限的概念
--函数极限的性质
-第四节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第四节思考与练习
-第五节 函数极限的运算
-第五节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第五节思考与练习
-第六节 无穷小量及其(阶的)比较
--无穷小量的比较
-第六节思考与练习
--思考题
--第二章 极限论--第六节思考与练习
-第一节 连续函数的概念与性质
--间断点的分类
--连续函数的性质
-第一节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第一节 思考与练习
-第二节 闭区间上连续函数的性质
-第二节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第二节 思考与练习
-第三节 函数的一致连续性
--一致连续的概念
-第三节 思考与练习
--思考题
--第三章 连续函数--第三节 思考与练习
-第一节 导数与微分的概念
--导数的概念
--导数的几何意义
--微分概念
-第一节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第一节 思考与练习
-第二节 导数与微分的运算
--导数的四则运算
--反函数求导法
-第二节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第二节 思考与练习
-第三节 几种特殊函数的求导法、高阶导数
--高阶导数
-第三节 思考与练习
--思考题
--第四章 导数与微分--第三节 思考与练习
-第一节 微分中值定理
--Fermat定理
--Rolle定理
-第一节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第一节 思考与练习
-第二节 L'Hospital 法则
--0/0型不定式
--∞/∞型不定式
--其他形式的不定式
-第二节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第二节 思考与练习
-第三节 函数的单调性与极值
--函数的单调性
--函数的极值
--函数最值的求法
-第三节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第三节 思考与练习
-第四节 函数的凸性与拐点
--函数凸性的判别法
--拐点
--曲线的渐近性
-第四节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第四节 思考与练习
-第五节 Taylor 公式
-第五节 思考与练习
--思考题
--第五章 导数应用--第五节 思考与练习
-第一节 概念与性质
--原函数的概念
--6-1视频纠正
-第一节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第一节思考与练习
-第二节 换元积分法
--第一换元法
--第二换元法
-第二节思考与练习
--思考题
--第六章 原函数与不定积分--第二节思考与练习
-第三节 分部积分法
--分步积分法
-第四节 有理函数的积分
--html
--第六章 原函数与不定积分--第四节思考与练习
-第五节 简单无理式的积分
--无理函数的有理化
--第六章 原函数与不定积分--第五节思考与练习
-第一节 积分概念与积分存在条件
--定积分的概念
-- 函数的可积性
--第七章 定积分--第一节思考与练习
-第二节 定积分的性质
--定积分的性质
--定积分性质的应用
-第三节 变上限积分与Newton—Leibniz公式
--变上限积分
--复合变限积分
--定积分的计算
--第七章 定积分--第三节思考与练习
-第四节 定积分的换元积分法与分部积分法
--第七章 定积分--第四节思考与练习
-第五节 定积分的几何应用
--平面区域的面积
--曲线的弧长
--平面曲线的曲率
--第七章 定积分--第五节思考与练习
-第六节 定积分的物理应用
--物理应用简介
-第七节 反常积分
--反常积分
--其他无穷积分
--第七章 定积分--第七节思考与练习
-第一节 数项级数的概念与性质
--第八章 级数--第一节 思考与练习
-第二节 正项级数的收敛判别法
--第八章 级数--第二节 思考与练习
-第三节 任意项级数
--交错项级数
--绝对值判敛法
--第八章 级数--第三节 思考与练习
-第四节 函数级数
--第八章 级数--第四节 思考与练习
-第五节 幂级数
--Abel判别法
--收敛半径与收敛域
--幂级数的分析性质
--幂级数求和
--第八章 级数--第五节思考与练习
-第六节 傅里叶级数
--三角函数的正交性
--第八章 级数--第六节思考与练习